Магнитный подшипник

 

Изобретение относится к электромеханическим устройствам, предназначенным для использования в качестве бесконтактных опор (магнитных подшипников) ротора различных машин, например газоперекачивающих агрегатов и других высокоскоростных машин, работающих в экстремальных условиях и в особо чистых средах. Магнитный подшипник (МП) включает в себя электромагнит, взаимодействующий с ротором, и средство управления обмотками электромагнитов с выходными каскадами, каждый из которых дополнительно снабжен дросселем, включенным в диагональ моста, являющегося импульсным регулятором тока, и конденсатором, включенным последовательно между диодом нижнего плеча моста и источником питания, а обмотка каждого электромагнита включена параллельно этому конденсатору. Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в улучшении демпфирующих свойств магнитного подшипника. Изобретение, кроме того, позволяет добиться увеличения мощности управления, снизить общий уровень высокочастотных пульсаций напряжения на обмотке электромагнита и соответственно уровень радиопомех в системе управления и в целом улучшить демпфирующие свойства МП. В результате расширяется область применения МП в машинах, где требуется снизить уровень колебаний ротора при прохождении критических частот вращения. 2 ил.

Предлагаемый магнитный подшипник относится к машиностроению и является электромеханическим устройством, предназначенным для использования в качестве бесконтактных опор ротора при создании различных машин, например, силовых гироскопов, газоперекачивающих агрегатов, турбодетандеров, электрошпинделей, турбомолекулярных насосов и крупных агрегатов, работающих в экстремальных условиях при высоких скоростях вращения ротора и в особо чистых средах.

В настоящее время магнитные подшипники (МП) успешно применяются в перечисленных выше машинах и имеется перспектива расширения их использования в новых проектах отечественных и зарубежных машин.

Анализ состояния уровня техники, с учетом имеющегося отечественного опыта разработки электромагнитных подшипников для газовых компрессоров [1], показывает, что на работу машин с магнитными подшипниками отрицательно влияют различные формы колебаний ротора на собственной частоте, которые, как правило, находятся в рабочем диапазоне частот вращения машины или близки к нему. При работе в резонансной области происходит увеличение амплитуды колебаний ротора в МП, что может привести к нарушению работоспособности машины.

Для снижения влияния указанных колебаний ротора можно воспользоваться одним из известных способов, заключающимся в улучшении демпфирующих свойств МП, что связано с необходимостью увеличения мощности управления и динамической жесткости МП [2].

Магнитные подшипники по принципу действия являются системой автоматического управления положением ферромагнитного тела (ротора) с помощью электромагнита, выполняющего функцию исполнительного органа системы. Ток в обмотке электромагнита регулирует аппаратура управления по сигналу положения ротора. Регулирование осуществляется так, чтобы между ротором и электромагнитом существовал зазор. В общем случае для стабилизации положения ротора по каждому из направлений свободы движения ротора система МП должна содержать свой электромагнит с соответствующим выходным каскадом аппаратуры управления.

Известные МП имеют выходные каскады аппаратуры управления, работающие в импульсном режиме и выполненные по схеме однотактного преобразователя напряжения в виде "неполного моста" [3], которая показана на фиг.1. Транзисторы Q1 и Q2 работают в импульсном режиме. Обмотка электромагнита L1 включена в диагональ "моста". При открытых транзисторах ток в обмотке электромагнита нарастает, а при закрытых ток замыкается через диоды D1, D2 и источник силового питания V1. Если транзистор Q1 закрыт, а Q2 открыт, то ток замыкается через диод D1. В этом режиме среднее значение напряжения на обмотке электромагнита U1 пропорционально напряжению силового источника питания V1, величина которого выбирается в зависимости от параметров элементов выходного каскада и уровня напряжения резервного источника питания, и скважности включения S1 транзистора Q1, которую можно регулировать обычно аналоговым или цифровым способом, т.е.

U1=S1·V1

В известном МП [4], принятом в качестве прототипа, при вышеописанной схеме выходного каскада среднее напряжение на обмотке электромагнита не может быть больше, чем напряжение источника силового питания. Пульсация напряжения питания обмотки электромагнита, происходящая на высокой частоте переключения транзисторов, является основным источником радиопомех, создаваемых кабелем, соединяющим обмотку с выходным каскадом. Эти факторы не позволяют в известном МП добиться улучшения демпфирующих свойств путем увеличения мощности управления, т.к. величина напряжения на обмотке ограничена напряжением источника питания. Динамическая жесткость МП ограничена существующим уровнем радиопомех.

Таким образом, применение известного МП ограничено в машинах, в которых требуется снижение существующего уровня колебаний ротора при прохождении критических частот вращения и/или в рабочем режиме, что сужает область применения МП.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания МП, характеризуемых улучшенными демпфирующими свойствами, позволяющими добиться снижения колебаний ротора до уровня предельно допустимого по условиям функционирования составных частей и узлов, входящих в состав машин.

Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением и заключающийся в улучшении демпфирующих свойств МП, основан на модернизации выходного каскада аппаратуры управления МП путем дополнения его функций возможностями повышать среднее напряжение на обмотке электромагнита выше, чем напряжение силового питания, и обеспечивать фильтрацию напряжения на обмотке, снижая влияние высокочастотных пульсаций.

Поставленная задача решается так, что по сравнению с известным МП, включающим один или несколько электромагнитов с аппаратурой управления, выходные каскады которой по числу электромагнитов, регулирующие ток в обмотках электромагнитов, содержат транзисторы Q1, Q2 и диоды D1, D2, соединенные по схеме "неполного моста" и установленные соответственно в противоположных плечах, а обмотка электромагнита включена в диагональ "моста", новым является то, что каждый выходной каскад снабжен дополнительно дросселем L2, включенным в диагональ "моста" вместо обмотки электромагнита L1, и конденсатором С, включенным последовательно между диодом D1 нижнего плеча "моста" и источником питания, а обмотка электромагнита L1 включена параллельно конденсатору С.

Действительно, включение в выходной каскад аппаратуры управления МП дополнительного дросселя и конденсатора позволяет наиболее полно использовать свойства индуктивного накопителя энергии и энергетические достоинства импульсного метода регулирования для повышения напряжения на обмотке электромагнита выше, чем напряжение силового источника питания. Кроме того, конденсатор выполняет функции элемента, сглаживающего пульсации напряжения на обмотке электромагнита, возникающие на высокой частоте, соответствующей частоте переключения силовых транзисторов. Это позволяет снизить общий уровень радиопомех в системе управления и, соответственно, увеличить динамическую жесткость МП.

Таким образом, дополнительные элементы, включенные в выходной каскад аппаратуры управления предлагаемого МП, позволяют добиться увеличения мощности управления за счет повышения напряжения на обмотке электромагнита без изменения значения напряжения источника питания и улучшить демпфирующие свойства МП.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о достаточности существенных признаков, представленных в формуле предлагаемого изобретения, для получения требуемого технического результата.

На фиг.2 представлена схема выходного каскада аппаратуры управления предлагаемого МП, являющаяся одним из вариантов выполнения, предназначенным для управления перемещением ротора по одному из направлений свободного движения. Полная система МП ротора содержит такое количество электромагнитов и соответственно выходных каскадов в аппаратуре управления, которое необходимо для ограничения перемещения ротора по требуемым направлениям. Каждый электромагнит имеет обмотку 1, ток в которой регулирует выходной каскад, содержащий транзисторы 2, 3, работающие в импульсном режиме, и диоды 4, 5, соединенные между собой по схеме "неполного моста" и установленные соответственно в противоположных плечах "моста". Дроссель 6, выполняющий функции накопителя энергии, включен в диагональ "моста". Конденсатор 7, трансформирующий энергию, накопленную дросселем, и сглаживающий высокочастотные колебания, включен последовательно между диодом 4 нижнего плеча "моста" и источником питания. Обмотка электромагнита 1 включена параллельно конденсатору 7.

При открытых транзисторах 2, 3 ток в дросселе 6 нарастает и энергия накапливается. При закрытом транзисторе 2 и открытом транзисторе 3 ток дросселя замыкается через диод 4 и параллельно включенные конденсатор 7 с обмоткой 1 электромагнита. Энергия, накопленная в дросселе, трансформируется в конденсатор 7, и напряжение на нем может превышать напряжение источника питания V2. В этом режиме среднее значение напряжения на обмотке электромагнита U2 связано со скважностью включения S2 транзистора 2 и напряжением силового питания V2 соотношением

Если транзисторы 2, 3 закрыты, то ток дросселя замыкается через диоды 4, 5, параллельно включенные конденсатор 7 с обмоткой 1 на источник питания V2.

Пульсации напряжения на обмотке электромагнита на высокой частоте, соответствующей частоте переключения транзисторов, в этой схеме уменьшены в соответствии с коэффициентом передачи L2C-фильтра по сравнению с уровнем пульсаций, равным напряжению питания в известном МП.

Таким образом, предлагаемый МП позволяет добиться снижения уровня колебаний ротора за счет улучшения демпфирующих свойств в МП, обусловленных применением в аппаратуре управления выходных каскадов, обладающих возможностями повышения управляющего напряжения на обмотке электромагнита выше, чем напряжение питания и соответственно мощности управления, а также пониженным уровнем высокочастотных пульсаций, что создает возможность повышения динамической жесткости МП.

Возможность осуществления предложенного МП и достижения требуемого технического результата практически подтверждена в НПП ВНИИЭМ на экспериментальном образце МП, предназначенном для применения в газоперекачивающих агрегатах.

Источники информации

1. Труды НПП ВНИИЭМ. Вопросы электромеханики, том 100, 2001 г., с.275-282.

2. Труды НПП ВНИИЭМ. Магнитный подвес роторов электрических машин и механизмов, Том 89, 1989 г., с.41-44.

3. Источники вторичного питания. /Под редакцией Ю.И.Конева. - М.: Радио и связь, 1990 г., с.93.

4. Система управления магнитными подшипниками. Руководство по эксплуатации ТАИК. 656447.018 РЭ - Документация НПП ВНИИЭМ (прототип).

Формула изобретения

Магнитный подшипник, включающий по крайней мере один электромагнит, взаимодействующий с ротором, для создания зазора между ротором и электромагнитом, средства управления обмотками электромагнитов с выходными каскадами по числу электромагнитов, каждый из которых содержит транзисторы и диоды, соединенные по схеме неполного моста и установленные соответственно в противоположных плечах моста, отличающийся тем, что каждый выходной каскад снабжен дросселем, включенным в диагональ моста, и конденсатором, включенным последовательно между диодом нижнего плеча моста и источником питания, a обмотка каждого электромагнита включена параллельно этому конденсатору.

РИСУНКИ